참신한 주석

Oct 29, 2023

Tokyo Tech의 연구원들은 가시광선 하에서 광촉매적으로 이산화탄소(CO2)를 포름산염으로 환원할 수 있는 주석 기반 MOF(금속-유기 골격)를 개발했습니다. 주석 기반 MOF는 9.8%의 높은 겉보기 양자 수율을 나타냈으며, 추가적인 감광제 없이 매우 선택적 광환원을 수행했습니다. 현재 CO2를 유용한 화학 물질로 줄이기 위한 대부분의 금속 착물은 값비싸고 희귀한 귀금속을 사용하기 때문에 이는 매우 유용할 수 있습니다.

이 연구에 관한 논문은 Angewandte Chemie, International Edition에 게재되었습니다.

경제를 추진하기 위해 탄소가 풍부한 연료에 대한 지속적인 수요로 인해 대기에 더 많은 이산화탄소(CO2)가 계속 추가되고 있습니다. CO2 배출을 줄이기 위한 노력이 이루어지고 있지만 그것만으로는 이미 대기에 존재하는 가스의 부작용을 막을 수 없습니다. 따라서 과학자들은 기존 대기 CO2를 포름산(HCOOH) 및 메탄올과 같은 유용한 화학 물질로 변환하여 사용하는 혁신적인 방법을 개발하고 있습니다. 이러한 변환을 수행하는 인기 있는 방법은 광촉매를 통해 CO2의 광환원을 유도하기 위해 가시광선을 사용하는 것입니다.

도쿄공과대학 마에다 카즈히코 교수가 이끄는 연구진이 CO2의 선택적 광환원을 가능하게 하는 주석 기반 MOF(금속-유기 골격)을 개발했습니다. 그들은 공식 [SnII2(H3ttc)2.MeOH]n(H3ttc: 트리티오시아누르산 및 MeOH: 메탄올)을 사용하여 KGF-10이라고 불리는 새로운 주석(Sn) 기반 MOF를 보고했습니다. 가시광선이 있는 상태에서 CO2를 HCOOH로 성공적으로 감소시켰습니다.

가시광선으로 구동되는 대부분의 고성능 CO2 감소 광촉매는 희귀한 귀금속을 주성분으로 사용합니다. 더욱이, 풍부한 금속으로 구성된 단일 분자 단위에 광 흡수 및 촉매 작용 기능을 통합하는 것은 오랜 과제로 남아 있습니다. 따라서 Sn은 두 가지 과제를 모두 극복할 수 있는 이상적인 후보였습니다.

금속과 유기 물질의 장점을 모두 활용하는 MOF는 기존 희토류 금속 기반 광촉매에 대한 보다 지속 가능한 대안으로 연구되고 있습니다. 지르코늄, 철, 납으로 구성된 MOF가 널리 연구되었지만 Sn 기반 MOF에 대해서는 알려진 바가 많지 않습니다.

연구진은 Sn 기반 MOF KGF-10 합성을 위해 H3ttc, MeOH, 염화주석을 출발물질로 사용하고 1,3-디메틸-2-페닐-2,3-디히드로-1H-벤조[d]이미다졸을 선택했다. 전자 공여체 및 수소 공급원. 준비된 KGF-10은 여러 가지 분석 기술을 거쳤습니다. 연구진은 이 물질이 중간 정도의 CO2 흡착 능력을 보여주고, 밴드갭이 2.5eV이며, 가시광선 파장을 흡수한다는 사실을 밝혔습니다.

새로운 물질의 물리적, 화학적 특성을 알게 된 과학자들은 이를 가시광선이 있는 곳에서 CO2 감소를 촉매하는 데 사용했습니다. 그들은 KGF-10이 추가적인 감광제나 촉매 없이 99%의 선택성으로 CO2를 포름산염(HCOO-)으로 성공적으로 환원한다는 것을 발견했습니다.

또한 이는 400nm에서 기록적으로 높은 겉보기 양자 수율(총 입사 광자 수에 대한 반응에 관련된 전자 수의 비율) 9.8%를 나타냈습니다. 또한, 반응 중 구조 분석을 통해 KGF-10이 광촉매 환원을 촉진하면서 구조적 변화를 겪는 것으로 나타났다.

이 연구에서는 가시광선을 이용한 포름산염의 CO2 감소를 위한 주석 기반의 고성능, 귀금속이 없는 단일 성분 광촉매를 처음으로 제시했습니다. 연구팀이 입증한 KGF-10의 우수한 특성은 태양 에너지 기반 CO2 감소와 같은 반응에서 광촉매로 응용할 수 있는 새로운 길을 열 수 있습니다.

자원

Yoshinobu Kamakura, Chomponoot Suppaso, Issei Yamamoto, Ryusuke Mizuochi, Yusuke Asai, Teruki Motohashi, Daisuke Tanaka, and Kazuhiko Maeda1 (2023) "Tin(II)-Based Metal–Organic Frameworks Enabling Eab Angewandte Chemie, International Edition doi: 10.1002/anie.202305923